DE1270692B

DE1270692B - Kontaktfeder fuer ein Schutzrohrrelais

Info

Publication number: DE1270692B
Application number: DEP1270A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Sasamoto
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1962-08-01
Filing date: 1963-07-24
Publication date: 1968-06-20
Also published as: US3249728A; GB1028092A; SE304060B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

AJLA

DEUTSCHES 4mTW> PATENTAMT

Int. Cl.:

HOIh

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-4/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1270 692
P 12 70 692.2-33
24. Juli 1963
20. Juni 1968

Die Erfindung betrifft eine Kontaktfeder für ein Schutzrohrrelais, die aus einem ferromagnetischen Nickel-Eisen-Kern und einer goldplattierten und diffusionsgeglühten Kontaktfläche besteht.

Bei solchen Schutzrohrrelais sind die Kontaktfedern hermetisch in einem Gehäuse eingeschlossen und werden durch ein äußeres Magnetfeld betätigt, wodurch ein elektrischer Stromkreis geschaltet wird.

Infolge des Abschlusses der Kontaktfedern innerhalb des Schutzrohrs sind solche Relais gegen aggressive Gase, staubige Atmosphäre usw. unempfindlich. Das Schutzrohr ist mit einem Schutzgas (z. B. Helium, Stickstoff) oder einer Mischung eines Schutzgases mit einem reduzierenden Gas gefüllt.

Die Kontaktfedern dienen einmal als Schaltkontakte für den elektrischen Stromkreis und zum andern als magnetische Leiter für den Magnetfluß; daraus ergeben sich verschiedene Probleme.

Damit Schutzrohrrelais trotz ihrer Kleinheit eine große magnetische Anziehungskraft entwickeln, müssen die Kontaktfedern aus einer Legierung mit hoher magnetischer Sättigungsdichte hergestellt werden. Ferner müssen die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kontaktfedern und des Gehäuses, im allgemeinen Glas, etwa gleich gewählt werden. Aus diesen Gründen wurde in der Regel eine Legierung aus Nickel und Eisen als Hauptbestandteile verwendet. Bei dieser Legierung besteht der Nachteil, daß der Kontaktwiderstand der Kontaktfedern ziemlich hoch wird, weil der spezifische Widerstand der Legierung selbst vergleichsweise hoch ist und darüber hinaus die Legierung vergleichsweise schnell oxydiert.

Es ist deshalb bereits bekanntgeworden, die Kontakte der Kontaktfedern mit Gold zu plattieren und dann einem Diffusionsprozeß in einer reduzierenden Atmosphäre, wie beispielsweise Wasserstoff, zu unterwerfen, so daß das Eisen und Nickel der Kontaktfederlegierung in die Goldschicht diffundieren kann.

Infolge der starken Diffusion von Eisen in Gold wird ein merklicher Eisenanteil an die Oberfläche der Goldschicht diffundieren, so daß der oberflächliche Eisengehalt über die Löslichkeitsgrenze der Legierungsphase ansteigt. Infolgedessen wird Eisen ausgeschieden, das einen vergleichsweise dicken Oxydfilm bildet und dadurch den Übergangswiderstand der Kontaktfedern in unerwünschtem Maße erhöht. Diese Oxydation erfolgt auch nach dem Einsetzen der Kontaktfedern in das Schutzrohr, wo das ausgeschiedene Eisen mit dem Restsauerstoff infolge der örtlichen Erwärmung in Verbindung mit der mechanischen Stoßbeanspruchung beim Betrieb des Relais reagiert. Der oberflächliche Eisengehalt ist auch die Kontaktfeder für ein Schutzrohrrelais
Anmelder:

Nippon Electric Company Limited, Tokio
Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Bunke, Patentanwalt,
ίο 7000 Stuttgart W, Schloßstr. 73 B

Als Erfinder benannt:
Takeshi Sasamoto,
Yoshitami Ohki, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 1. August 1962 (43 660)

Ursache für eine Brückenbildung beim Ein- und Ausschalten des Relais. Hierzu neigt auch Eisen, das in der Nähe der Oberfläche der erwähnten Legierungsschicht aus Gold, Nickel und Eisen liegt. Deshalb ergeben sich bei Schutzrohrrelais mit Gold-Diffusionskontaktfedern ziemlich frühzeitig feine Brückenbildungen, so daß schließlich die Kontaktfedern nicht mehr abheben können.

Eine weitere Schwierigkeit mit Schutzrohrrelais mit Gold-Diffusionskontakten ist die Bildung von Metalloxydpulvern durch Verbindung mit Restsauerstoff innerhalb des Schutzrohrs, wenn ein Strom unter Betriebsbedingungen geschaltet wird, bei denen die Möglichkeit für das Auftreten einer Glimmentladung besteht. Diese Pulver sammeln sich bevorzugt auf den Kontaktflächen an und bleiben darauf haften, so daß die Kontaktflächen verschlechtert werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Herabsetzung des Kontaktwiderstandes bei Gold-Diffusionskontaktfedern, insbesondere die Ausschaltung des ungünstigen Einflusses des oberflächlichen Eisengehalts. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine an sich bekannte Zwischenschicht aus einem Metall der Gruppe Nickel, Kobalt, Mangan, Kupfer, in welches Eisen nur in geringem Maße diffundiert, durch Diffusionsbehandlung mit der aufplattierten Goldschicht legiert ist.

Der mit der Erfindung erzielte überraschende technische Fortschritt liegt insbesondere darin, daß bei der Diffusionsbehandlung Atome der Zwischenschicht

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durch die Goldschicht hindurchdiffundieren. Hierbei Nachdem der Kontaktteil jeder Feder oder dessen

bildet sich auf der Goldoberfläche eine sehr dünne Umgebung auf die in F i g. 3 dargestellte Weise plat-

Oxydschicht aus, so daß sich eine gute elektrische tiert ist, werden die Kontaktfedern bei einer geeignet

Leitfähigkeit über die Kontaktflächen auf Grund des hohen Temperatur einer Diffusionsbehandlung unter-

Tunneleffektes ergibt. Das eindiffundierende Metall 5 worfen. Infolgedessen diffundiert Gold in die Zwi-

legiert sich mit dem Gold, so daß die weitere Oxyda- schenschicht 6 und den Kern 5. Hierdurch werden die

tion praktisch unterbunden wird. Der Film an der mechanische Abnutzung und die elektrische Erosion

legierten Oberfläche ist genügend beständig und hart, beim Öffnen oder Schließen der Kontakte vermin-

so daß unter keinen Umständen ein Haften der Kon- dert. Ferner diffundieren das Metall oder die Metalle

taktoberflächen aneinander eintreten kann. io der Zwischenschicht in die Goldplattierung 7, so daß

Es sind zwar Kontaktbimetalle bekannt, bei denen ein Kontaktkleben durch Adhäsion zwischen zwei

zwischen einem Unedelmetall und einem Edelmetall Goldschichten verhindert wird,

eine Zwischenschicht vorgesehen ist, die die Diffusion Durch entsprechende Wahl der Zwischenschicht-

von Unedelmetall aus der Unterlage ausschließen dicke und der Diffusionsbedingungen ist es möglich,

bzw. herabsetzen soll. Dort ist jedoch die Goldauf- 15 die Nachteile der bekannten Kontaktfedern, die nur

lage nicht mit der Zwischenschicht durch eine Diffu- mit Gold plattiert und anschließend einer Diffusions-

sionsbehandlung verbunden. behandlung unterworfen wurden, dadurch zu vermei-

Die Zwischenschicht dient bei der Kontaktfeder den, daß der in den Kontaktflächen nach Beendigung nach der Erfindung nicht allein zur Unterdrückung der Diffusionsbehandlung vorhandene Eisengehalt geeiner Eisendiffusion in die Goldauflage. Ein wichtiges 20 ringer ist.

Merkmal der Erfindung liegt in der Legierungsbildung Zur Veranschaulichung der durch die Erfindung

der Zwischenschicht mit der Goldschicht durch eine erzielten Vorteile sollen die Arbeitsergebnisse eines

Diffusionsbehandlung. Deshalb beruht der mit der Arbeitsschutzrohrrelais mit einem Kontaktdruck von

Erfindung erzielte technische Erfolg vor allem auf der 5 g, einer Rückholkraft von 5 g, einem Luftspalt im

Auswahl geeigneter Metalle für die Zwischenschicht, 25 Ruhestand von 0,1 mm und einer Eigenfrequenz der

die in der erwünschten Weise in die Goldschicht Feder von 2,4 kHz untersucht werden, und zwar

hineindiffundieren und die dünne Oxydschicht auf durch Vergleich eines üblichen Schutzrohrrelais mit

der Goldlegierung bilden. goldplattierten Kontaktfedern einerseits mit einem

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung er- Schutzrohrrelais, dessen Kontaktfedern aus einer

läutert. Es zeigt 30 Nickel-Eisen-Legierung bestehen, und die mit Nickel

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausfüh- oder Kupfer und danach mit Gold plattiert und an-

rungsform der Erfindung, schließend einer Diffusionsbehandlung unterworfen

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht wurden, andererseits.

des freien Endes einer in der Ausführungsform nach Die Kurven A 1 und A 2 in F i g. 4 sind summierte

F i g. 1 verwendeten Kontaktfeder, 35 Verteilungskurven für den Kontaktwiderstand von

F i g. 3 einen Querschnitt durch das freie Ende Schutzrohrrelais gemäß der Erfindung, und Kurve B

einer Kontaktfeder vor der Diffusionsbehandlung, ist die gleiche Kurve für ein übliches Schutzrohrrelais

F i g. 4,5 und 6 Diagramme zur Veranschaulichung mit Gold-Diffusionskontaktflächen. Der Kontakt-

der Schalteigenschaften erfindungsgemäßer Schutz- widerstand wurde jeweils mit einer Spannung von

rohrrelais. 40 0,9 mV und bei 1000 Hz gemessen.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 1 F i g. 5 zeigt die Lebensdauerkennlinie beider ein Arbeitsschutzrohrrelais dargestellt. Es besteht aus Schutzrohrrelais hinsichtlich der Kontaktwiderstände, zwei Kontaktfedern 1 und 2 aus einer Nickel-Eisen- wenn nur mechanische Schaltspiele durchgeführt wer-Legierung und einem Gehäuse 3 aus einem dielektri- den, ohne daß Strom fließt. Ein Ausfall wird angeschen Material, wie Glas oder Keramik, durch das 45 nommen, wenn der Schaltkontaktwiderstand nach der kritische Abstand zwischen den Kontaktfedern 1 einer Anzahl von Schaltspielen 200 Milliohm über- und 2 gewährleistet wird. schritten hat. Die Kurven A 1 und A 2 betreffen die

Die Federn 1 und 2 sind an ihren Enden durch beiden Ausführungsformen der Erfindung und Kurve B einen schmalen Spalt 4 getrennt; sie ziehen sich ein übliches Schutzrohrrelais mit Gold-Diffusionsgegenseitig an und kommen in Berührung mitein- 5° kontakten.

ander, und schließen einen elektrischen Stromkreis, Fig. 6 zeigt die Lebensdauerkennlinie der gleisobald ein Magnetfeld in Richtung der Kontaktfeder- chen Schutzrohrrelais bei induktiver Belastung ohne achsen angelegt wird. Wenn das angelegte magne- Funkenlöschung. Bei Ausführung dieses Versuches tische Feld weggenommen wird, werden die Federn 1 wurde das Unterbleiben der Kontakttrennung wegen und 2 freigegeben und kehren auf Grund ihrer feder- 55 Brückenbildung als Ausfall betrachtet. Die Kurve A elastischen Eigenschaften in ihre in F i g. 1 darge- gilt für einen erfindungsgemäßen Schalter beim Abstellte Ruhelage zurück, so daß der elektrische Strom- schalten einer induktiven Belastung, in der eine Enerkreis wieder unterbrochen wird. gie von 20 mJ gespeichert werden kann. Kurveß gilt für

In F i g. 2 ist das freie Ende der Kontaktfeder 1 den gleichen Kreis, jedoch mit einem üblichen Schutzvergrößert dargestellt; das Ende 8 ist mit Gold zu 60 rohrrelais mit Gold-Diffusionskontakten. Kurve B plattieren. F i g. 3 zeigt einen Querschnitt längs A-A' gilt für eine induktive Belastung, in der 2 mJ gespeidurch den Teil 8 vor der Diffusionsbehandlung. Die chert werden können, wenn diese Last durch ein Feder besteht an dieser Stelle aus einem Kern 5 aus Schutzrohrrelais mit bekannten Gold-Diffusionskon-Nickel-Eisen-Legierung, einer eisen- und goldfreien takten geschaltet wird. Wenn eine induktive Last, in Schicht 6 aus wenigstens einem Metall, wie z. B. 65 der eine Energie von 2 mJ gespeichert werden kann, Nickel, Kobalt, Mangan, Kupfer, das für einen Diffu- durch ein erfindungsgemäßes Schutzrohrrelais gesionsvorgang mit Gold geeignet ist, und schließlich schaltet wird, ergeben bis zu etwa 20 Millionen Schalteiner Goldplattierung 7. spiele keine Ausfälle.

Ein Kupfer-Gold-Mehrschicht-Diffusionskontakt ist als Ruhekontakt, ein Nickel-Gold-Mehrschicht-Diffusionskontakt als Arbeitskontakt überlegen.

Aus diesen Kurven ergibt sich, daß es durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kontaktfedem von Schutzrohrrelais möglich ist, die Nachteile bekannter Schutzrohrrelais mit Gold-Diffusionskontakten zu beseitigen; die Abmessungen können herabgesetzt werden, die Kontaktstabilität kann verbessert und die Lebensdauer eines Schalters kann vergrößert werden.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Arbeitskontakt-Schutzrohrrelais beschrieben worden, doch ist selbstverständlich die Lehre der Erfindung auch auf andere Schalterarten anwendbar, beispielsweise in Gehäuse eingeschlossene Schutzrohr-Umschalter.

Claims

Patentanspruch:

Kontaktfeder für ein Schutzrohrrelais, die aus einem ferromagnetischen Nickel-Eisen-Kern und einer goldplattierten und diffusionsgeglühten Kontaktfläche besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Zwischenschicht aus einem Metall der Gruppe Nickel, Kobalt, Mangan, Kupfer, in welches Eisen nur in geringem Maße diffundiert, durch Diffusionsbehandlung mit einer aufplattierten Goldschicht legiert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1078 251;
Zeitschrift »Metall«, Juli 1956, S. 633.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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